不同森林類型土壤酶活性和微生物數量特征研究

王鳳娟，秦紹龍，張鴻雁，劉 娜

(1.商洛學院, 陜西 商洛 726000; 2.商洛市氣象局,陜西 商洛 726000)

油松作為中國特有的樹種，其種植區域主要集中在西北、西南、東北以及中原等地，在陜西省商洛市洛南縣分布十分廣泛，對當地營林產業的發展有著重要影響[1]。因此，本研究選取了分布于洛南縣境內的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林三種森林類型為研究對象，對其土壤酶活性和微生物數量特征進行了分析研究，以期為實驗區的營林生產提供理論依據和科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

樣地概況(表1所示)：位于陜西省商洛市洛南縣古城林場油松良種基地，選擇有代表性、生長正常的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林三個相鄰的林區，每個林區選擇100 m×100 m的實驗樣地。

表1 樣地概況

供試材料：商洛市洛南縣古城林場油松純林、油松+刺槐混交林和油松+栓皮櫟混交林三種森林類型的林區土壤為試驗材料。

1.2 試驗設計

土樣的采集：分別對0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm三處土層采用五點采樣法采樣，取樣2～5 kg，裝入無菌自封袋中，貼上標簽[2]。

土壤樣品預處理：將采取的土壤樣品放在陰涼通風處進行風干處理，處理后挑出其中的砂礫、雜質與植物根系等，并用四分法取土，研磨后過100目篩，于4℃冰箱中保存備用。

1.3 測定項目

土壤酶活性的測定[3]：①土壤蔗糖酶活性的測定，3,5-二硝基水楊酸比色法。②土壤脲酶活性的測定，苯酚鈉-次氯酸鈉比色法。③土壤酸性磷酸酶活性的測定，磷酸苯二鈉測定法。④土壤多酚氧化酶活性的測定，鄰苯三酚比色法。⑤土壤過氧化氫酶活性的測定，高錳酸鉀滴定法。

土壤微生物數量的測定：細菌、真菌和放線菌均采用稀釋平板涂抹法[4]。細菌用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌用改良高氏1號培養基，真菌用馬丁氏培養基，每個處理3次重復。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據統計和處理。

2 結果與分析

2.1 三種森林類型土壤酶活性的變化

表2 三種森林類型土壤酶的活性

2.1.1 三種森林類型土壤蔗糖酶活性的變化 圖1可以看出，0～10 cm的土層蔗糖酶活性分別為(油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林)542.55 mg·g-1、680.67 mg·g-1和676.36 mg·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的蔗糖酶活性分別為496.35 mg·g-1、598.20 mg·g-1和528.25 mg·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的蔗糖酶活性分別為243.62 mg·g-1、279.27 mg·g-1和266.40 mg·g-1；在三個不同深度的土壤中，油松-刺槐混交林的蔗糖酶活性遠高于油松純林且三種森林類型土壤蔗糖酶的活性都以0～10 cm土層中最高，分別為542.55 mg·g-1、680.67 mg·g-1和676.36 mg·g-1；總體變化趨勢為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。

圖1 三種森林類型土壤蔗糖酶活性

2.1.2 三種森林類型土壤脲酶活性的變化 由圖2可知，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林脲酶活性分別為33.32 mg·g-1、37.62 mg·g-1和35.98 mg·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林脲酶活性分別為30.56 mg·g-1、34.36 mg·g-1和33.26 mg·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林脲酶活性分別為22.98 mg·g-1、28.65 mg·g-1和25.12 mg·g-1；在三個不同深度的土壤中，三種森林類型土壤的脲酶活性都以0～10 cm土層的最高，分別為35.98 mg·g-1、37.62 mg·g-1和33.32 mg·g-1；且在三個不同深度的土壤中脲酶活性相差不大，說明土壤深度對土壤脲酶活性影響不顯著；油松-刺槐混交林土壤脲酶的活性始終高于油松純林和油松-栓皮櫟混交林，說明混交林對于提高脲酶活性方面要高于純林；總的變化趨勢為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。

圖2 三種森林類型土壤脲酶的活性

2.1.3 三種森林類型土壤酸性磷酸酶的活性變化 由圖3可知，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性分別為451.37 mg·g-1、678.78 mg·g-1和651.10 mg·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性分別為236.59 mg·g-1、596.70 mg·g-1和563.68 mg·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性分別為156.62 mg·g-1、283.45 mg·g-1和275.32 mg·g-1；在三個不同深度的土壤中，三種森林類型土壤的酸性磷酸酶活性都以0～10 cm土層的最高，分別為451.37 mg·g-1、678.78 mg·g-1和656.10 mg·g-1，呈現油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林的趨勢；油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性均顯著高于油松純林，但油松-刺槐混交林與油松-栓皮櫟混交林間差異不顯著；總的變化趨勢為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。

圖3 三種森林類型土壤酸性磷酸酶的活性

2.1.4 三種森林類型土壤多酚氧化酶的活性變化 由圖4可知，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的多酚氧化酶活性分別為123.13 mg·g-1、141.96 mg·g-1和131.94 mg·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的多酚氧化酶活性分別為76.15 mg·g-1、112.01 mg·g-1和92.67 mg·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的多酚氧化酶活性分別為53.24 mg·g-1、91.66 mg·g-1和71.95 mg·g-1；在三個不同深度的土壤中，三種森林類型土壤的多酚氧化酶活性都以0～10 cm土層的活性最高，分別為123.13 mg·g-1、141.96 mg·g-1和131.94 mg·g-1，并呈現油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林的趨勢；在三種森林類型土壤中多酚氧化酶酶活性都隨土壤深度增加而減小；總的變化趨勢為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟>油松純林。

圖4 三種森林類型土壤多酚氧化酶的活性

2.1.5 三種森林類型土壤過氧化氫酶的活性變化 由圖5可知，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的過氧化氫酶活性分別為7.35 mL·g-1、12.56 mL·g-1和11.34 mL·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的過氧化氫酶活性分別為7.12 mL·g-1、12.10 mL·g-1和11.30 mL·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的過氧化氫酶活性分別為5.62 mL·g-1、10.00 mL·g-1和9.80 mL·g-1；油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林過氧化氫酶活性始終高于同一深度的油松純林，說明混交林對于提高過氧化氫酶活性方面要高于純林；土壤深度0～20 cm的土壤過氧化氫酶活性變化趨勢表現為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟>油松純林，而土壤深度為20～30 cm的土壤過氧化氫酶活性變化趨勢表現為油松-栓皮櫟混交林>油松-刺槐混交林>油松純林。

圖5 三種森林類型土壤過氧化氫酶的活性

2.2 三種森林類型土壤微生物數量變化

2.2.1 三種森林類型土壤中微生物總數量的變化 如表3所示，在三種采樣地中，土壤深度為10～20 cm的油松-刺槐混交林(82.98×107cfu·mL-1)的微生物總量為最高，約為同等深度油松純林(48.10×107cfu·mL-1)的1.73倍；油松-栓皮櫟混交林的微生物總數量次之，且土壤深度為10～20 cm的油松-栓皮櫟混交林(79.94×107cfu·mL-1)的微生物總數量約為同等深度油松純林(48.10×107cfu·mL-1)的1.66倍；土壤深度為0～10 cm的油松純林(44.00×107cfu·mL-1)的微生物總數量最低。三種森林類型的土壤微生物數量變化總趨勢為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。

表3 三種森林類型土壤微生物數量

2.2.2 三種森林類型土壤細菌數量變化 如圖6所示，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的細菌數量分別為42.55×107cfu·mL-1、80.65×107cfu·mL-1和76.26×107cfu·mL-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的細菌數量分別為46.50×107cfu·mL-1、81.20×107cfu·mL-1和78.25×107cfu·mL-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的細菌數量分別為43.62×107cfu·mL-1、79.20×107cfu·mL-1和76.20×107cfu·mL-1，三種森林類型土壤中細菌數量變化總體表現為油松-刺槐混交林最高，油松-栓皮櫟混交林次之，油松純林最少；細菌的數量在微生物總數中占有最大比重；土壤深度為10～20 cm的油松-刺槐混交林(81.20×107cfu·mL-1)的細菌數為最高，約為同等深度油松純林的(46.50×107cfu·mL-1)1.75倍，占該采樣地微生物總數量的97.85%；土壤深度為10～20 cm的油松-栓皮櫟混交林(78.25×107cfu·mL-1)的細菌數量占該采樣地微生物總數量的97.89%，比同等深度油松純林的(46.50×107cfu·mL-1)多了1.22%；土壤深度為0～10 cm的油松純林(42.55×107cfu·mL-1)的細菌數量最低，占該采樣地微生物總數的96.70%。

圖6 三種森林類型土壤細菌的數量

2.2.3 三種森林類型土壤放線菌數量變化 如圖7所示，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的放線菌數量分別為13.75×106cfu·mL-1、15.78×106cfu·mL-1和15.10×106cfu·mL-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的放線菌數量分別為15.00×106cfu·mL-1、16.70×106cfu·mL-1和15.80×106cfu·mL-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的放線菌數量分別為13.62×106cfu·mL-1、15.45×106cfu·mL-1和15.20×106cfu·mL-1。不同深度的三種森林類型土壤中放線菌數量的變化趨勢和細菌一致，均表現為油松-刺槐混交林最高，油松-栓皮櫟混交林次之，油松純林最少。土壤深度為10～20 cm的油松-刺槐混交林(16.70×106cfu·mL-1)的放線菌數量最高，約為同等深度油松純林的(15.00×106cfu·mL-1)1.11倍，占該采樣地微生物總數量的3.12%；土壤深度為10～20 cm的油松-栓皮櫟混交林(15.8×106cfu·mL-1)的放線菌數量，占該采樣地微生物總數量的1.97%，比同等深度油松純林(15.00×106cfu·mL-1)的放線菌數量多了1.22%；土壤深度為20～30 cm的油松純林(13.62×106cfu·mL-1)的放線菌數量最低，占該采樣地微生物總數的3.02%。

圖7 三種森林類型土壤放線菌的數量

2.2.4 三種森林類型土壤真菌數量變化 從圖8所示，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的真菌數量分別為7.35×105cfu·mL-1、10.20×105cfu·mL-1和8.90×105cfu·mL-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的真菌數量分別為9.60×105cfu·mL-1、11.50×105cfu·mL-1和11.30×105cfu·mL-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的真菌數量分別為8.05×105cfu·mL-1、11.36×105cfu·mL-1和9.80×105cfu·mL-1，不同森林類型土壤中真菌的數量變化趨勢同細菌與放線菌相比有明顯差異，表現為油松-刺槐混交林的真菌數量最多，明顯多于油松純林和油松-刺槐混交林的真菌數量。三種采樣地土壤中真菌數量變化趨勢總體表現為土壤深度為10～20 cm的油松-刺槐混交林(11.50×105cfu·mL-1)最多，占微生物總量的0.14%；不同深度的油松-栓皮櫟混交林次之，均占該采樣地的微生物總數的0.14%；土壤深度為0～10 cm的油松純林(7.35×105cfu·mL-1)最少，占該采樣地微生物總數的0.17%。

圖8 三種森林類型土壤真菌的數量

3 討論

3.1 三種森林類型對土壤酶活性的影響

土壤中各種酶活性能夠反應出植物體的一系列生理生化過程，并且土壤酶在土壤的生態系統中起著非常重要的作用[5]。在筆者研究中土壤深度對油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林土壤中的酶活性有顯著影響，蔗糖酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和過氧化氫酶活性都隨土壤深度增加而減小，這與張金屯等[6]對黑土的土壤酶活性的研究結論一致，說明酶活性隨土壤深度的增加而降低，出現這種現象的原因是土壤通氣狀況隨著土壤深度的增加而變得越來越差，微生物的數量及種類也會呈遞減狀態，所以土壤酶隨土壤深度的增加而逐級降低。在筆者研究中，油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性都以0～10 cm的土層的活性最高，而油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性與油松純林差異顯著，這與李巖等[7]的研究結果一致。筆者研究中，油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的脲酶活性都以0～10 cm土層的活性最高，這與柴旭光等[8]對土壤脲酶活性變化趨勢一致，說明淺層土壤中脲酶活性較高。本研究中，油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林土壤過氧化氫酶均顯著高于油松純林，但油松-刺槐混交林與油松-栓皮櫟混交林間差異不顯著，這與陳立明等[9]對云冷杉林土壤過氧化氫酶活性的研究結論不一致，其原因可能為研究對象不同、其生長環境差異較大、選取土壤深度不同等諸多原因導致土壤中過氧化氫酶活性的變化規律影響較大。研究發現在三種森林類型土壤中多酚氧化酶活性都隨土壤深度增加而減小，這與陳立明等[9]對云冷杉林土壤多酚氧化酶活性的研究結論一致，土壤多酚氧化酶的降低，對促進土壤酚類物質向醌類物質轉化起到一定不利作用，將會增加酚類物質累積，進而讓土壤毒素增加。還有學者研究發現混交會造成土壤有害物質過氧化氫的增加以及對于氮素的不合理利用從而導致土壤的肥力及熟化程度降低，最終影響作物的質量以及產量[10]。劉捷豹等[11]研究表明土壤酶是主要限制森林土壤的物質循環因素，環境變化將引起水分、土壤pH、營養成分變化，這些變化對土壤酶的穩定性和活性起反作用。在未來研究中，應注重加強酶的基本性質對環境的變化響應的研究,更加注重土壤深度、林分類型導致的差異，大范圍內強化多種因素之間的作用，且進行綜合、長期觀測。

3.2 三種森林類型對土壤微生物數量的影響

土壤微生物類群在土壤的生態系統中有著非常重要的作用，其數量特征可以顯示出土壤肥力的高低[12]。筆者研究發現，三種森林類型土壤中的微生物數量總的變化趨勢為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林，且細菌、真菌和放線菌的數量變化特征和微生物總數特征變化趨勢是一致的，這與李巖等[7]探討了兩種林分類型對林下土壤微生物數量變化趨勢的研究結論一致，說明混交林相對純林在微生物的細菌、放線菌、真菌都有顯著提高，對土壤質量的改善起到了促進作用。研究發現，油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林土壤微生物數量關系均表現為細菌>放線菌>真菌，這與彭曉邦[13]對商洛核桃-桔梗復合生態系統土壤微生物數量變化趨勢的研究結論一致，說明放線菌、真菌對水分、養分的競爭能力比細菌弱，從而表現為不同根際土壤放線菌、真菌的數量均比細菌低。筆者研究結果發現，隨著土壤深度的增加細菌、放線菌和真菌數量均減少，而孫秀山等[14]研究發現，隨著花生田連作年限的增加細菌和放線菌的數量呈現增加的趨勢，而真菌則表現為減少的趨勢，這與筆者研究結果不同，其原因可能為研究對象不同、作物的生長環境差異較大、取材土壤深度等諸多原因導致連作年限對土壤微生物影響的變化規律差異較大。肖育貴等[15]研究表明植物種類的組成不同,枯落物質及其數量不同，提供給土壤的微生物生長營養物質不同，導致微生物組成和種類也會不同，繼而引起土壤的酶活性存在質和量差異，所以三種森林類型土壤酶活性和微生物數量特征還有待進一步的研究。

4 結論

在三種森林類型土壤中，蔗糖酶、酸性磷酸酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和過氧化氫酶活性都以0～10 cm的土層的活性最高；在不同深度(0～30 cm)土壤中，除過氧化氫酶外，酶活性的變化趨勢均表現為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。微生物的三大類群組成比例為細菌居于多數，放線菌次之，真菌數量最少。三種森林類型的土壤微生物數量變化趨勢總體表現為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。油松-刺槐混交林能夠增加土壤微生物數量，有效提高土壤酶活性。